การออกแบบการจัดการความร้อนสำหรับหม้อแปลงติดตั้งบนฐาน
ในระหว่างการดำเนินงานจริง เครื่องแปลงไฟฟ้าที่ติดตั้งบนฐานจะเผชิญกับปัญหาที่เกี่ยวข้องกับความร้อนดังนี้:
เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการระบายความร้อน บทความนี้ใช้วิธีการวิเคราะห์เชิงจำกัดเพื่อสร้างแบบจำลองสามมิติของเครื่องแปลงไฟฟ้า โดยการจัดแผนที่การกระจายอุณหภูมิ จะระบุจุดที่เกิดความร้อนสูงและปรับปรุงการออกแบบระบบทำความเย็น
1. หลักการพื้นฐานของสนามอุณหภูมิ
สนามอุณหภูมิอธิบายการแปรผันของอุณหภูมิในพื้นที่และเวลา ซึ่งมีการสร้างความร้อน การถ่ายโอน และการกระจายความร้อนที่เชื่อมโยงกันอย่างแนบสนิท สำหรับเครื่องแปลงไฟฟ้าที่ติดตั้งบนฐาน ความร้อนเกิดจากแกนกลาง วงจรขดลวด ฯลฯ สภาวะการดำเนินงานและการใช้งานเป็นเวลานานจะเปลี่ยนแปลงรูปแบบความร้อน และการสัมผัสระหว่างหลายสื่อ (แกนกลาง วงจรขดลวด ฉนวน) ทำให้การกระจายอุณหภูมิไม่สม่ำเสมอ
การถ่ายโอนความร้อนผ่านการนำความร้อน (เป็นหลัก ทำให้ความร้อนจากวงจรขดลวดและแกนกลางผ่านเรซินฉนวนไปยังอากาศรอบข้าง) และการพาความร้อน ความเข้มของการนำความร้อนสัมพันธ์กับความลาดเอียงของอุณหภูมิ ความร้อนเคลื่อนที่จากส่วนที่ร้อนไปยังเรซินที่เย็นกว่า แล้วกระจายไปยังอากาศภายนอก การคำนวณความหนาแน่นกระแสความร้อนตามดังนี้:
ในสูตร: q แทนความหนาแน่นกระแสความร้อน;λ แทนความนำความร้อน; ∂t/∂x คือความลาดเอียงของอุณหภูมิ สะท้อนอัตราการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิตามระยะทาง; n คือสัมประสิทธิ์การแปลงความร้อน เมื่อมีความแตกต่างของอุณหภูมิในตำแหน่งต่างๆ ความร้อนจะไหลเวียนเพื่อทำให้อุณหภูมิสมดุล และสถานะนี้คือการพาความร้อน ในระหว่างการทำงานของเครื่องแปลงไฟฟ้าที่ติดตั้งบนฐาน ความร้อนที่เกิดจากส่วนต่างๆ จะสัมผัสกับอากาศและถ่ายโอนระหว่างกัน ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของอากาศรอบข้าง ในกระบวนการนี้ การถ่ายโอนความร้อนจะทำได้ผ่านการพาความร้อน ซึ่งสามารถแสดงด้วยสูตรดังนี้:
ในสูตร, h คือสัมประสิทธิ์การพาความร้อน, tf แทนอุณหภูมิของของเหลว และ tw แทนอุณหภูมิของพื้นผิวของวัตถุ เมื่ออุณหภูมิของวัตถุสูงกว่าศูนย์สัมบูรณ์ จะเกิดการแผ่รังสีความร้อน ที่เรียกว่าการแผ่รังสีความร้อน ภายใต้เงื่อนไขอื่นๆ ที่ไม่เปลี่ยนแปลง ปริมาณการแผ่รังสีระหว่างวัตถุจะเปลี่ยนแปลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น (เมื่ออุณหภูมิมีแนวโน้มสูงขึ้นอย่างต่อเนื่อง) ในระหว่างการทำงานของเครื่องแปลงไฟฟ้าที่ติดตั้งบนฐาน อุปกรณ์เองไม่สัมผัสกับการแผ่รังสีความร้อนโดยตรง เมื่ออุณหภูมิของเครื่องแปลงไฟฟ้าคงที่ ฟังก์ชันการแผ่รังสีความร้อนจะทำให้เกิดการระบายความร้อนผ่านการแผ่รังสี และกระบวนการนี้สามารถแสดงด้วยสูตรดังนี้:
ในสูตร, S หมายถึงพื้นที่ผิวการแผ่รังสี, T คืออุณหภูมิเทอร์โมไดนามิกของวัตถุ และ σ คือค่าคงที่การแผ่รังสี ในการออกแบบระบบระบายความร้อนสำหรับเครื่องแปลงไฟฟ้าที่ติดตั้งบนฐาน วิธีการวิเคราะห์เชิงจำกัด (FEA) จะถูกนำมาใช้เพื่อสร้างสมการความสมดุลความร้อน ผ่านการคำนวณ สามารถกำหนดอุณหภูมิที่แต่ละจุดของวัตถุได้ ซึ่งเป็นประโยชน์ในการวัดจุดอุณหภูมิที่ยากต่อการได้รับในทางปฏิบัติ ระบุตำแหน่งจุดร้อนที่เหมาะสม และทำการวิเคราะห์การเชื่อมโยง หลักการพื้นฐานของการแยกสนามอุณหภูมิด้วย FEA ดังนี้:
แบ่งพื้นที่ทางกายภาพสามมิติออกเป็นส่วนย่อย;
ใช้ฟังก์ชันเพื่ออธิบายการแปรผันของอุณหภูมิที่จุดใดๆ ภายในองค์ประกอบ;
สร้างสมการองค์ประกอบ;
รวมองค์ประกอบและใช้การกระตุ้นภายนอกที่จุดต่างๆ;
แก้สมการโดยพิจารณาเงื่อนไขขอบเขตของสนามอุณหภูมิ;
คำนวณการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิที่แต่ละจุด;
สรุปการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิขององค์ประกอบตามสมการสนามอุณหภูมิ
2 การจำลองและวิเคราะห์สนามอุณหภูมิของเครื่องแปลงไฟฟ้าที่ติดตั้งบนฐาน
2.1 การสร้างแบบจำลองเชิงจำกัด
ตาราง 1 แสดงพารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้องของเครื่องแปลงไฟฟ้าที่ติดตั้งบนฐานที่เลือกในบทความนี้ แบบจำลองเชิงจำกัดถูกสร้างขึ้นตามพารามิเตอร์เหล่านี้ จากนั้น แบบจำลองที่ลดความซับซ้อนถูกสร้างขึ้นสำหรับวงจรขดลวดแรงดันสูง วงจรขดลวดแรงดันต่ำ และแกนกลางของเครื่องแปลงไฟฟ้าที่ติดตั้งบนฐาน
ในการสร้างแบบจำลอง เนื่องจากข้อต่อที่เชื่อมต่อวงจรขดลวดแรงดันสูงมีความแข็งแรง จึงไม่ได้ถูกนำมาพิจารณาในขั้นตอนการออกแบบเบื้องต้น เพื่อลดความซับซ้อน แกนกลางถูกจำลองเป็นโครงสร้างเดียว โดยไม่คำนึงถึงช่องว่างระหว่างชั้น (ช่องว่างเหล่านี้ได้รับการแก้ไขโดยใช้คุณสมบัติของเหล็กซิลิคอนแบบมวลรวมเพื่อคำนึงถึงความนำไฟฟ้าของวัสดุ) แบบจำลองการจำลองสามมิติของเครื่องแปลงไฟฟ้าแสดงในรูปที่ 1
เพื่อวิเคราะห์ผลกระทบจากการพาความร้อนตามธรรมชาติในการระบายความร้อน โดเมนอากาศภายนอก (ขนาด 5000mm×5000mm×3000mm) ถูกเพิ่มเข้ามาในสภาพแวดล้อมการจำลอง ทำให้สามารถจำลองรูปแบบการไหลของอากาศรอบเครื่องแปลงไฟฟ้าได้อย่างสมจริง
2.2 แบบจำลองกล่องครอบเครื่องแปลงไฟฟ้าที่ติดตั้งบนฐาน
วงจรขดลวดและแกนกลางถูกจำลองเป็นแหล่งกำเนิดความร้อน ด้วยอัตราการสร้างความร้อนที่คำนวณจากพารามิเตอร์การออกแบบเครื่องแปลงไฟฟ้า โดเมนอากาศถูกกำหนดให้มีช่องระบายอากาศที่ด้านบนและช่องรับอากาศที่กระจายอยู่ตามด้านล่างและด้านข้าง ขณะที่อุณหภูมิสิ่งแวดล้อมถูกตั้งไว้ที่ 300K ในระหว่างการจำลอง พารามิเตอร์การพาความร้อนตามธรรมชาติถูกสร้างขึ้นโดยเลือกแบบจำลองความรุนแรงที่เหมาะสมตามเลข Rayleigh
ทรงเรขาคณิตของกล่องครอบ (รูปที่ 2) ถูกลดความซับซ้อนเนื่องจากโครงสร้างผสมผสานที่ซับซ้อน แผ่นเจาะรูบนหลังคาถูกละเลย โดยถือว่าหลังคาเป็นโดเมนอากาศที่ต่อเนื่อง วัสดุพรุนถูกวางไว้ที่ช่องระบายอากาศใต้ชายคาเพื่อจำลองแรงต้านทานการไหล โดเมนอากาศรอบฐานรองรับด้านล่างของกล่องครอบถูกถือว่าเชื่อมต่อกัน ชั้นอากาศเพิ่มเติมสูง 155 มม. ถูกเพิ่มใต้กล่องครอบเพื่อคำนึงถึงผลกระทบจากการระบายความร้อนของฐาน
ในแบบจำลองที่สร้างขึ้น ช่องระบายอากาศที่ตั้งไว้ที่ด้านล่าง ด้านบน และด้านบน-ล่างทั้งหมดถูกถือว่าเป็นวัสดุพรุน ด้วยความหนา 10 มม. (เช่น บล็อกสีเหลือง-เขียวในรูปที่ 3) ทำให้สามารถจำลองแผ่นตะแกรงได้ ขนาดของช่องระบายอากาศที่ด้านล่างคือ 1450 × 1200 มม.² และขนาดของช่องระบายอากาศที่ด้านบน-ล่างคือ 550 × 500 มม.² ช่องเปิดและแผ่นอีพ็อกซี่ถูกตั้งไว้ในแบบจำลอง และสถานะของช่องเปิดถูกกำหนดให้เปิดหรือปิดตามสถานการณ์จริง โดยทั่วไป ถ้าใช้แบบติดตั้งบนพื้น ช่องระบายอากาศที่ด้านบน แผ่นอีพ็อกซี่ และช่องเปิดที่ 1 จะอยู่ในสถานะเปิด ถ้าใช้แบบมีช่องระบายอากาศที่ด้านล่าง ช่องระบายอากาศที่ด้านบน ด้านล่าง และช่องเปิดที่ 1/2/3 จะอยู่ในสถานะเปิด
2.3 การวิเคราะห์การกระจายสนามอุณหภูมิ
ต่อไป แบบจำลองเชิงจำกัดถูกสร้างขึ้นโดยการสร้างตาข่ายจากแบบจำลองเรขาคณิต ให้แน่ใจว่าการพาความร้อนตามธรรมชาติและแบบจำลองตาข่ายภายในมีความสอดคล้องกัน และทำการปรับปรุงการสร้างตาข่ายที่ช่องระบายอากาศและส่วนติดต่ออากาศเพื่อเพิ่มความแม่นยำในการคำนวณ ตามแบบจำลองเรขาคณิต แบบจำลองเชิงจำกัดมีจุด 401,856 จุด และตาข่าย 518,647 ตาข่าย การตั้งค่าสำคัญสำหรับแบบจำลองเครื่องแปลงไฟฟ้าที่ติดตั้งบนฐาน:
โดยใช้ซอฟต์แวร์เชิงจำกัด แบบจำลองสนามอุณหภูมิแสดงว่าวงจรขดลวดมีอุณหภูมิสูงสุดในเครื่องแปลงไฟฟ้า ตามด้วยแกนกลาง อุณหภูมิของอากาศใกล้เคียงก็สูงเช่นกัน ลดลงเมื่ออากาศขึ้นสู่ด้านบนจนถึงอุณหภูมิสิ่งแวดล้อมที่ช่องระบายอากาศ ในระหว่างการทำงาน การขยายตัวของอากาศร้อนทำให้เกิดการสะสมและการชนกันระหว่างอากาศสิ่งแวดล้อมและอากาศในท่อ (เนื่องจากการทำความร้อนอย่างต่อเนื่องและการเพิ่มปริมาตร) ความหนืดของอากาศส่งผลต่อการไหลในท่อและสนามการไหล อากาศร้อนเร่งความเร็วใกล้พื้นและช้าลงเมื่อห่างออกไป การสัมผัสระหว่างการไหลและพื้นผิวทำให้เกิดชั้นขอบความร้อน ซึ่งด้วยความหนาทำให้สัมประสิทธิ์การถ่ายโอนความร้อนลดลง ทำให้อุณหภูมิและความหนืดของอากาศเพิ่มขึ้น ในขณะที่ความเร็วการไหลลดลง อากาศร้อนทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเหนือเครื่องแปลงไฟฟ้า ซึ่งอุณหภูมิสัมพันธ์กับการแผ่รังสีความร้อน
3 การออกแบบการระบายความร้อนของเครื่องแปลงไฟฟ้าที่ติดตั้งบนฐาน
3.1 การวิเคราะห์แบบจำลอง
เครื่องแปลงไฟฟ้าที่ติดตั้งบนฐานถูกจัดวางภายในกล่องครอบที่มีความปลอดภัยสูง เพื่อให้การไหลเวียนของอากาศภายในกล่องครอบราบรื่นและเพิ่มประสิทธิภาพในการระบายความร้อนของเครื่องแปลงไฟฟ้า ต้องติดตั้งพัดลมไหลตามแกนเพื่อระบายอากาศร้อนออกจากภายในอุปกรณ์ นอกจากนี้ยังต้องติดตั้งฮีตซิงค์ภายนอกกล่องครอบเพื่อแลกเปลี่ยนความร้อน ผ่านการแลกเปลี่ยนความร้อน การไหลเวียนของอากาศภายในเครื่องแปลงไฟฟ้าสามารถดำเนินต่อไปได้อย่างต่อเนื่อง
ในระหว่างการทำงานของเครื่องแปลงไฟฟ้าที่ติดตั้งบนฐาน ความร้อนส่วนใหญ่เกิดจากวงจรขดลวดและแกนกลาง ดังนั้น การออกแบบต้องเน้นที่สภาพการไหลของอากาศของสองส่วนนี้ และรวมองค์ประกอบที่เกี่ยวข้องเพื่อสร้างแบบจำลองการระบายความร้อน
3.2 การกำหนดพารามิเตอร์ของแบบจำลอง
สำหรับเครื่องแปลงไฟฟ้าที่ติดตั้งบนฐาน ความแตกต่างระหว่างพารามิเตอร์อากาศภายในและพารามิเตอร์สมรรถนะอุณหภูมิค่อนข้างน้อย เมื่อเลือกแผ่นเหล็กซิลิคอน ควรให้ความสำคัญกับสมรรถนะในการทนความร้อน นอกจากนี้ ยังวิเคราะห์อัตราส่วนระหว่างสายทองแดงกับเรซินฉนวนเพื่อกำหนดพารามิเตอร์สมรรถนะความร้อน
3.3 การตั้งค่าสภาวะ
ความดันเฉลี่ยที่ช่องรับและช่องระบายอากาศของเครื่องแปลงไฟฟ้าที่ติดตั้งบนฐานคือความดันบรรยากาศหนึ่ง大气层压力。结合散热器的性能，将冷空气温度作为入口条件建立有限元模型，并定义对称平面和空气进出口方向。 请确认以上内容是否需要翻译为泰语？如果是，请提供完整的英文原文。如果不是，请告知正确的段落位置。
